随着我国人口结构中中老年人所占比例的增大,失能人群的护理问题也日渐突出,医疗行业中护理人员也出现了巨大的人力缺口,家庭护工的雇佣成本也成为一项长期的高昂开销。为解决护理贵、护理繁琐这一难题,本文设计了一款可以在医院和居家等多场所使用的床椅一体化机器人,并对其结构功能、软硬件控制进行详细研究,具体内容如下。首先,以实际应用为导向确定床椅一体化机器人的功能指标。从人机工程学出发,对人体的基本尺寸参数进行了介绍,进一步地对轮椅单元和床体单元的主要结构尺寸进行设计。轮椅底盘部分可以实现全向自动行走、轮椅坐姿和躺姿的姿态变换、轮椅与马桶对接如厕以及与床完成对接,其中首次提出了用户在轮椅上无需转换直接完成马桶如厕的机构。对用于实现各项功能的具体机械结构做了详细阐述,包括底盘类型和所采用的麦克纳姆轮底盘运动原理,以及伺服电机,减速器、电源的选择,如厕结构的设计包括对应的舵机选用和滑轨的安装方式。其次,对腿部和背部四连杆机构进行运动学和动力学分析。使用ADAMS和MATLAB软件对背部推杆机构和腿部推杆机构进行运动学仿真,再利用试验设计的方法对背部和腿部的连杆机构进行参数化建模,将推杆驱动力和背部腿部的角速度等参数为目标进行优化设计,从而减小所需的驱动力。使用ABAQUS软件对关键零部件进行强度、刚度的静力学分析。然后,对控制方式进行了总体介绍,选用工业控制器,系统更加稳定,选用CAN总线通讯方式,并对其报文传输方式和通讯性能进行介绍。选用禾晟C470控制器作为总控制器完成电器元件的控制,使用CAN总线的通讯方式完成人机界面和控制器的通讯。依次介绍了全向移动底盘电机驱动器的工作方式、电动推杆和PWM调速驱动的工作原理、基于光耦的高压控制器、舵机的控制方式以及床椅对接用传感器的工作原理并绘制了上述元器件的布线图。最后,完成控制软件、控制界面的设计。利用HMIEditor界面编辑软件设计了一款人机交互界面,人机界面主要由底盘控制界面、姿态变换控制界面和如厕控制界面三大模块组成。其中底盘控制界面分为速度选择和方向控制按钮;姿态变换控制界面的背部和腿部单独运动按钮;如厕控制界面的两组舵机控制和推杆控制按钮。还对不同界面的切换逻辑和单个界面内部的互锁逻辑进行了设计。在已知人机交互界面基础上使用Co De Sys软件对核心控制程序编写,绘制各个模块的工作流程图并用ST语言开发了底盘运动模块、姿态变化模块、如厕模块和床椅对接模块的具体控制程序,对床椅一体化机器人的总体功能进行展示。